Выбор Y-конденсатора для обеспечения электромагнитной совместимости и защиты от утечек в условиях градиента магнитно-резонансной томографии.

Выбор Y-конденсатора для обеспечения электромагнитной совместимости и защиты от утечек в условиях градиента магнитно-резонансной томографии.

Резюме

В источниках питания градиентных МРТ-аппаратов между сетевыми линиями и защитным заземлением подается широкополосный синфазный ток. Y-конденсаторы обеспечивают этому току обратный путь с низким импедансом, но их емкость также определяет ток утечки пациента, который, согласно IEC 60601-1, ограничен 10 мкА для компонентов типа CF. В этой статье приводятся уравнения потерь на входе и тока утечки, четыре конфликта выбора, наблюдаемые в градиентных источниках питания, а также этапы планирования емкости, градации Y1 и компоновки фильтра.

1. Введение

Источники питания для градиентных ламп МРТ переключают транзисторы на основе SiC и IGBT с высокой скоростью, и это переключение создает широкополосный синфазный ток между сетью и защитным заземлением. Без обратного пути шум распространяется по сетке в другое медицинское оборудование и попадает в приемную цепь радиочастотного сигнала, что ухудшает качество изображения.

Y-конденсаторы обеспечивают обратный путь. Они образуют низкоимпедансную ветвь фильтра электромагнитных помех, поэтому большее значение означает лучшие вносимые потери. Однако то же значение определяет и ток утечки у пациента, и именно здесь начинается конфликт.

Стандарт IEC 60601-1 ограничивает ток утечки в нормальном состоянии пациента до 10 мкА для компонентов типа CF. При частоте 50 Гц и напряжении 230 В один Y-конденсатор емкостью 4700 пФ уже потребляет 0.34 мА, поэтому его полезное значение значительно ниже того, что предпочтительнее для фильтра электромагнитных помех.

В данной статье рассматриваются модель синфазного сигнала, уравнения тока утечки, четыре конфликта, наблюдаемые в градиентных источниках питания, а также этапы выбора параметров для планирования значений, определения уровня Y1, проектирования дросселей и заземления.

2. Основной механизм

2.1 Путь синфазного шума и вносимые потери

В импульсном каскаде градиентного источника питания генерируется синфазное напряжение V_cm между сетевыми линиями L/N и защитным заземлением PE. Импеданс источника и конденсатор Y C_Y образуют делитель напряжения, а потери на синфазном сигнале составляют примерно:

IL ≈ 20 · log10(1 + ω · C_Y · Z_cm / 2)

где IL — синфазные вносимые потери в дБ, ω — угловая частота 2πf, C_Y — значение Y, а Z_cm — синфазное сопротивление источника.

В проводящем диапазоне от 150 кГц до 30 МГц большее значение C_Y увеличивает вносимые потери. Предел тока утечки ограничивает это увеличение.

2.2 Ток утечки при сетевой частоте

Ток утечки через Y-конденсатор на частоте сети определяется напряжением сети и емкостью:

I_leak = 2π · f_line · V_ac · C_Y

где I_leak — ток утечки, f_line — частота сети, V_ac — напряжение сети, а C_Y — значение Y.

При частоте f_line = 50 Гц, напряжении V_ac = 230 В и емкости C_Y = 4700 пФ один конденсатор производит около 0.34 мА. Это в 34 раза превышает медицинский предел в 10 мкА, поэтому один большой Y-конденсатор сам по себе не может пройти проверку безопасности.

2.3 Параллельное соединение Y-образных конденсаторов и общая сумма компонентов системы

Когда несколько источников снабжения используют одну и ту же территорию, их общая стоимость равна сумме стоимости всех ответвлений:

C_Y_total = Σ C_Y_i

где C_Y_total — общее значение Y, а C_Y_i — значение для каждой ветви. Токи утечки суммируются аналогичным образом, поэтому расчетный предел равен:

2π · f_line · V_ac · C_Y_total < I_limit

где I_limit — допустимый предел тока утечки. Для компонентов типа CF значение I_limit составляет 10 мкА; для оборудования типа B оно может составлять от 100 мкА до 500 мкА в зависимости от класса применения.

2.4 Импеданс, собственный резонанс и потолок частоты

Эффективность шунтирования Y-конденсатора зависит от его емкостного сопротивления:

Z_C = 1 / (2π · f · C_Y)

где Z_C — импеданс конденсатора на частоте f. Реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты, поэтому характеристики шунтирования улучшаются. В точке саморезонанса вместо реактивного сопротивления начинает действовать индуктивность:

f_SR = 1 / (2π · √(ESL · C_Y))

где f_SR — точка саморезонанса, а ESL — эквивалентная последовательная индуктивность. Выше f_SR ветвь выглядит индуктивной, и фильтрация прекращается. Именно поэтому компоненты с ESL ниже 20 нГн имеют значение выше 10 МГц.

2.5. Устойчивость к импульсным воздействиям и частичный разряд

Конденсаторы класса Y1 должны пройти испытание импульсным напряжением по стандарту IEC 60384-14, обычно с сопротивлением заземлению 8 кВ или более. Напряжение начала частичного разряда также должно оставаться выше пикового рабочего напряжения. Медицинские конденсаторы класса Y с высоким напряжением разряда (HVC) экранируются при PD ≤ 5 пКл при 1.5 Ur, что обеспечивает стабильность диэлектрика при непрерывном напряжении сети переменного тока.

An HVD быстровосстанавливающийся диод В том же фильтре обеспечивается путь разряда для Y-образной ветви, поэтому остаточный заряд не может оставаться на конденсаторе после выключения.

Рис. 1 — Ток утечки возрастает пропорционально общей емкости Y-цепи, поэтому предельный ток для пациента в 10 мкА допускает около 138 пФ, в то время как один компонент емкостью 4700 пФ потребляет 0.34 мА.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Запас по электромагнитной совместимости относительно предела тока утечки.

Для градиентного источника питания 3T требовался кондуктивный шум класса B, поэтому в конструкции значение Y было увеличено до 10 нФ. Уровень шума на частоте 150 кГц снизился на 8 дБ, но ток утечки пациента достиг 1.2 мА, и тест на безопасность не прошёл. Четыре разнесённых Y-конденсатора по 2.2 нФ плюс дроссель синфазного сигнала прошли оба теста.

Проблема 2: Неправильный класс выдерживаемого напряжения

В некоторых конструкциях в качестве Y-конденсаторов используются обычные высоковольтные керамические конденсаторы без сертификации IEC 60384-14 Y1 или Y2. В одном проекте деталь вышла из строя во время испытания на импульсное напряжение 2 кВ и вызвала срабатывание защиты от замыкания на землю. Детали Y1 проходят испытание на импульсное напряжение 8 кВ и испытание на выдерживание напряжения 5000 В переменного тока. Импортный пленочный конденсатор Также пропускает сигнал на низких частотах, но его коэффициент электростатического сопротивления ограничивает полезную полосу пропускания выше 10 МГц.

Проблема 3: Сложение токов утечки при многоканальной работе.

Каждая фаза трехкоординатного градиентного источника питания имеет свои собственные Y-конденсаторы. Одна фаза с током 8 мкА выглядит исправной, но три фазы достигают 24 мкА, а вспомогательные и управляющие источники питания добавляют еще больше. Суммарный ток системы, превышающий 50 мкА, считается недопустимым, поэтому проверку необходимо проводить по всем ветвям одновременно.

Проблемный момент 4: Сопротивление изоляции воздействию тепла и влажности.

Сопротивление ИК-излучению снижается с повышением температуры и влажности, а ток утечки возрастает вместе с ними. В одной больнице в жаркий сезон были превышены предельные значения, поскольку сопротивление ИК-излучения Y-конденсатора упало с 10 ГОм до 2 ГОм. Плотный диэлектрик N4700 в герметичном корпусе поддерживает сопротивление ИК-излучению выше 100 ГОм, а также блокирует солевой туман и коррозионные газы.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Суммировать ток утечки до проектирования фильтра.

На этапе проектирования схемы перечислите все Y-конденсаторы с указанием их номиналов, сложите ветви и вычислите общий ток утечки по приведенной выше формуле. Зарезервируйте 20% запаса по отношению к I_limit. Это позволит установить верхний предел значений до проектирования фильтра электромагнитных помех, а не после провала проверки безопасности.

Стратегия 2: Предпочтение керамическим конденсаторам Y1 малой емкости.

Выбирайте компоненты с ёмкостью от 470 пФ до 10 нФ, номинальным напряжением от 250 В до 500 В переменного тока, выдерживаемым импульсным напряжением 8 кВ и коэффициентом диэлектрической проницаемости ниже 0.1%. N4700 Диэлектрик удовлетворяет всем четырем требованиям. Несколько небольших компонентов Y1, соединенных параллельно, также снижают эффективную эквивалентную последовательную длину волны (ESL) и расширяют полосу фильтрации, чего не может сделать один большой компонент.

Стратегия 3: Используйте синфазный дроссель для низкочастотного диапазона.

Емкость — не единственный фактор. Индуктор синфазного режима L_cm между L/N и PE образует LC-фильтр нижних частот с C_Y, с частотой среза 1/(2π · √(L_cm · C_Y)). Дроссель 2 мГн с небольшим Y-конденсатором улучшает полосу 150 кГц без добавления тока утечки.

Стратегия 4: Ограничить ток короткого замыкания в каждой ветви.

Распределите Y-конденсаторы по платам питания, управления и интерфейса таким образом, чтобы одна закороченная деталь не могла увеличить суммарную мощность системы за один шаг. Последовательно поставьте a резистор высокого номинала HVRGXP в каждую ветвь, чтобы ограничить ток короткого замыкания до уровня миллиампер при выходе из строя конденсатора.

Стратегия 5: Выдерживать детали перед отправкой.

Испытание медицинских Y-конденсаторов при температуре 85 °C и относительной влажности в течение 1000 часов и подтверждение того, что сопротивление и ток утечки остаются в пределах допустимых значений. Повторите высокотемпературное испытание на утечку при приемке продукции, чтобы выявить партии с преждевременными отказами до того, как они попадут на производственную линию.

Стратегия 6: Используйте один базовый ориентир.

Рабочие характеристики Y-конденсатора зависят от импеданса заземления. Соедините заземление питания, цифровое заземление и экранирующее заземление в одной точке, а затем используйте широкие и толстые заземляющие шины, чтобы высокочастотное сопротивление оставалось низким. Заземляющая петля повторно вводит синфазный шум в чувствительные цепи, которые фильтр должен защищать.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC Y1 и Y2 для градиентных фильтров электромагнитных помех

Медицинские Y-конденсаторы должны одновременно соответствовать двум требованиям: иметь достаточную емкость для проводимости и ток утечки менее 10 мкА для всей системы. Компания HVC производит семейства Y1 и Y2, отвечающие этим двум параметрам, на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Сертификация Y1/Y2. Медицинские семейства HVCT8G и HVCT9G прошли испытания на импульсную и стойкую прочность по стандарту IEC 60384-14, поэтому защита от повреждений завершается без дополнительного этапа испытаний.
• Устойчивость к импульсным воздействиям 8 кВ. Испытания на перенапряжение между линией и землей до 8 кВ проходят без пробоя, что охватывает переходные процессы, передаваемые по сети в больничную сеть.
• Диапазон значений от 470 пФ до 10 нФ, напряжение от 250 В переменного тока до 500 В переменного тока. Этот диапазон охватывает схему с четырьмя-шестью небольшими ответвлениями при токе менее 10 мкА.
• ESL ниже 20 нГн. HVCT9G низкий уровень ESL тело поддерживает емкостную проводимость ветви выше 10 МГц, в то время как пленочный элемент уже стал индуктивным.
• Коэффициент потерь ниже 0.1% при частичном разряде ≤ 5 пКл. Низкие потери обеспечивают охлаждение компонента при непрерывном синфазном токе, а 100% экранирование частичного разряда исключает возможность деградации диэлектрика.
• Сравните с ведущими брендами. Детали HVC Y1 и Y2 соответствуют электрическим параметрам. VishayАналоги от AVX, Murata и TDK, и запущены в серийное производство для OEM-производителей МРТ-оборудования.

Доставка и поддержка

Срок поставки компонентов Y1 и Y2 составляет от 4 до 8 недель, в то время как для вышеуказанных брендов этот срок обычно составляет от 20 до 30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете тока утечки, предварительном сканировании электромагнитных помех, проектировании фильтров и устранении неполадок в ходе испытаний на безопасность.

Отправьте данные о напряжении и частоте сети, допустимом пределе утечки, неисправном диапазоне излучения и схему фильтра. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит план обслуживания с номерами деталей, суммарными значениями тока утечки и комплектом для тестирования из двух образцов. HVR-BSP прецизионные циркули В ту же партию можно добавить быстровосстанавливающиеся диоды HVD для проверки на утечки и ограничения импульсных перенапряжений.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую величину емкости Y можно использовать в медицинской конструкции?

Максимально допустимый предел тока утечки, и не более того. Стандарт IEC 60601-1 ограничивает ток утечки в нормальном состоянии пациента на уровне 10 мкА для компонентов типа CF. При частоте 50 Гц и напряжении 230 В это соответствует суммарной емкости Y, близкой к 138 пФ для всей системы, поэтому конструкция распределяет его по четырем-шести небольшим ветвям и добавляет синфазный дроссель для низкочастотного диапазона.

В2: Почему увеличение емкости Y не прошло проверку на безопасность?

Поскольку ток утечки возрастает прямо пропорционально емкости. В одной из конструкций использовалась емкость 10 нФ для подавления излучения класса B, что улучшило работу в диапазоне 150 кГц на 8 дБ, а измеренный ток утечки достиг 1.2 мА. Распределенные компоненты емкостью 2.2 нФ плюс дроссель восстановили как запас по излучению, так и запас прочности.

В3: Можно ли использовать обычный высоковольтный керамический конденсатор в качестве Y-конденсатора?

Нет. Конденсаторы Y-типа должны соответствовать стандарту IEC 60384-14 Y1 или Y2, включая испытание на импульс 8 кВ и испытание на устойчивость к замыканию на землю. Несертифицированный компонент может выйти из строя при скачке напряжения 2 кВ и вызвать срабатывание защиты от замыкания на землю. Используйте сертифицированный компонент Y1 при PD ≤ 5 пКл и поддерживайте ESL ниже 20 нГн.

Вопрос 4: Почему фильтр перестает работать при частоте выше 10 МГц?

Саморезонанс. Выше f_SR = 1/(2π · √(ESL · C_Y)) импеданс ветви возрастает с частотой, поэтому конденсатор больше не подавляет синфазный шум. Компонент с ESL ниже 20 нГн смещает эту точку выше, а параллельное соединение небольших значений расширяет полезный диапазон частот.

В5: Как складываются значения по нескольким осям градиента?

Суммарное значение Y равно сумме по всем ветвям, и токи утечки суммируются аналогичным образом. Три оси с током утечки 8 мкА каждая достигают 24 мкА еще до учета вспомогательного и управляющего источников питания, а общий ток системы может превышать 50 мкА. Суммируйте ток утечки на этапе построения схемы, сохраняя запас в 20%.

В6: Какие данные испытаний должны прилагаться к деталям?

Результаты импульсного испытания при 8 кВ, результаты старения в течение 1000 часов при 85 °C / 85 % относительной влажности, а также индивидуальное значение частичных разрядов при 1.5 Ur. Запросите также значение IR: деталь, сопротивление которой остается выше 100 ГОм, обеспечивает стабильный ток утечки в диапазоне температур и влажности, характерных для больничной среды.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-33, Медицинское электрооборудование — Часть 2-33: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам оборудования магнитно-резонансной томографии для медицинской диагностикиЖенева: МЭК, 2010.
3. МЭК 60384-14, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 14: Спецификация по разделам: Неподвижные конденсаторы для подавления электромагнитных помех и подключения к сети электропитанияЖенева: МЭК, 2013.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Y. Zhou, B. Chen, C. Tian, ​​J. Yuan и Y. Chen, Параллельный линейный преобразователь с диодным ограничением для испытаний на выдерживаемое напряжение и измерения частичных разрядов электрооборудования.Высокое напряжение, том 8, № 1, стр. 171-182, 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312
8. Технические заметки по проектированию и надежности конденсаторов (указатель, включая информацию о периоде возникновения дуги, коронном разряде и влиянии компоновки печатной платы на отказы при высоком напряжении), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. МЭК 61000-4-4:2012, Электромагнитная совместимость (ЭМС) – Часть 4-4: Методы испытаний и измерений – Испытание на устойчивость к быстрым переходным процессам/импульсам, Изд. 3.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2012.
11. МЭК 61326-1:2020, Электрооборудование для измерения, контроля и лабораторного использования - Требования ЭМС - Часть 1: Общие требования, Изд. 3.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2020.
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com